专利摘要

专利摘要

本申请公开了一种激光等离子体光学装置，包括激光系统、真空靶室、气体靶产生装置和聚焦元件。其中，激光系统用于输出驱动光脉冲和信号光脉冲；所述气体靶产生装置用于产生气体，并通过毛细管高压放电电离(或激光皮秒预脉冲烧蚀)气体形成所需要的等离子体通道靶；在通过聚焦元件将驱动光脉冲聚焦到产生的等离子体通道靶上，从而产生密度调制的等离子体尾波；并且在延迟预定时间T后，再通过聚焦元件将信号光脉冲聚焦到等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，从而使得信号光脉冲的频率发生红移，产生超强近单周期中红外脉冲，该中红外脉冲是目前传统光学装置无法达到的，对基础科学研究、医学和工业应用等具有潜在的广泛应用价值。

权利要求

1.一种激光等离子体光学装置，其特征在于，包括

激光系统，所述激光系统是太瓦级激光系统，所述激光系统用于输出驱动光脉冲和信号光脉冲；

真空靶室，所述真空靶室用于提供激光与物质相互作用的真空环境；

气体靶产生装置，所述气体靶产生装置设置于所述真空靶室内，其中所述气体靶产生装置用于产生气体，并通过激光预脉冲照射或通过高压电离气体形成沿驱动光脉冲传播方向的等离子体通道靶；和

聚焦元件，所述聚焦元件设置在所述真空靶室内，所述聚焦元件将所述驱动光脉冲聚焦到所述产生的等离子体通道靶上，从而产生密度调制的等离子体尾波；并且在延迟预定时间T后，再通过所述聚焦元件将所述信号光脉冲聚焦到等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，从而使得所述信号光脉冲的频率发生红移，产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲。

2.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述等离子体通道靶在通道的径向方向上具有密度上升的径向密度梯度分布，并且在通道的轴向上具有基本均匀的轴向密度分布。

3.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述的驱动光脉冲、信号光脉冲的方向是相同的。

4.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述的驱动光脉冲、信号光脉冲和激光预脉冲的传播方向是相同的。

5.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述的前沿区域为所述等离子体尾波的第二个等离子体空泡的最前端或前1/2的区域内。

6.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述的激光预脉冲和驱动光脉冲是同一束激光脉冲，其中，所述的激光脉冲的前沿或前段作为预脉冲，而激光脉冲的后段作为驱动光脉冲。

7.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述驱动光脉冲和信号光脉冲聚焦在所述等离子体靶上的束腰半径为5-30微米。

8.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述驱动光脉冲和信号光脉冲聚焦在所述气体靶上的束腰半径为8-15微米。

9.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述驱动光脉冲的脉宽为10～60飞秒。

10.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述信号光脉冲的脉宽为5～30飞秒。

11.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述延迟预定时间T可在数十飞秒范围内调节。

12.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述驱动光脉冲的峰值功率为1～20太瓦。

13.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述信号光脉冲的峰值功率为0.1～15太瓦。

14.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述气体靶产生装置是可控的高压气体喷嘴装置或毛细管通道装置。

15.如权利要求14所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述的高压气体喷嘴装置可喷出密度、体积等可控的气体，通过与皮秒预脉冲作用可电离产生沿径向呈类抛物线形密度梯度、沿着轴向基本均匀的等离子体通道靶。

16.如权利要求14所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述的毛细管通道装置是由气体产生装置向管内充气体，然后通过电极装置提供的高压电使得管内气体被电离，从而产生沿径向呈类抛物线形密度梯度、沿着轴向基本均匀的等离子体通道靶。

17.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述产生的等离子体通道靶沿激光传播方向的长度为800～3000微米。

18.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，用于形成所述气体靶的气体成分是由氢气、氦气、氮气或其组合的混合气体构成。

19.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述等离子体通道靶横向具有类抛物线形的密度梯度，可有效地引导激光脉冲长距离的传输。

20.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述等离子体通道靶的电子数密度为1017～1020个每立方厘米。

21.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，可以通过调整所述等离子体通道靶、信号光脉冲或驱动光脉冲的参数来调控产生的中红外光脉冲的参数。

22.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述的激光等离子体光学装置还包括控制系统，所述控制系统用于控制激光系统、气体靶产生装置和聚焦元件。

23.如权利要求22所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述控制系统包括延时控制，通过延时控制将信号光脉冲注入到等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域。

24.如权利要求1所述的激光等离子体光学装置，其特征在于，所述中红外脉冲具有选自下组的一个或多个特性：

(a)峰值强度超过1017瓦特/平方厘米；

(b)在光强的半高全宽处脉宽短至近单个光周期；

(c)总能量可高达几十毫焦；

(d)中心波长可达5微米，最大截止波长可达10微米；

(e)具有可控的载波相位。

25.一种用于产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)提供气体靶，所述气体靶在通过激光预脉冲照射或通过高压电离气体靶产生等离子体通道靶；

(b)提供驱动光脉冲，将驱动光脉冲聚焦到步骤(a)中的气体靶或由所述气体靶形成的等离子体通道靶上，从而产生密度调制的等离子体尾波；

(c)在延迟预定时间T后，提供信号光脉冲，将信号光脉冲聚焦到步骤(b)中的等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，从而使得所述信号光脉冲的频率发生红移，产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲，其中所述驱动光脉冲和所述信号光脉冲由激光系统输出的，所述激光系统是太瓦级激光系统。

说明书

技术领域

本发明涉及激光等离子体物理和非线性光学领域，特别涉及一种超短脉冲强激光驱动的等离子体光学装置及产生单脉冲能量达到数毫焦、相对论强度、近单周期的中红外光脉冲的方法。

背景技术

中红外波段(3—20[μm]微米)激光脉冲在基础科学研究、生物医学应用、精密制造等领域有着重要的应用价值。由于该波段光谱覆盖了大量有机分子的特征振荡模式，可以产生特征振荡吸收光谱，因此具有独特的诊断识别和操控研究能力。特别是，超短超强中红外激光脉冲的产生为科学研究带来了重要的研究手段，例如可以实现超高次谐波辐射、高能阿秒(1阿秒＝10-18秒)脉冲、多维红外光谱学、超快动力学成像、粒子加速等。

目前，产生超短超强中红外光脉冲的方法主要是基于传统非线性晶体材料技术。但是，由于受限于晶体材料的频率带宽、损伤阈值、能量增益等限制，难以产生高强度、数毫焦(1毫焦＝10-3焦耳)、少周期的中红外光脉冲。随着光周期数的减少和波长的增加，高强度、高能量、少周期中红外光脉冲的产生将变得更具挑战，已成为当前光物理科学的难题之一。当前，基于晶体材料光学技术获得的近单周期中红外脉冲能量典型的限制在几十微焦(1微焦＝10-6焦耳)，峰值强度(I0)约为太瓦每平方厘米(1012W/cm2)量级内，这极大地限制了它们的研究能力和应用范围。当驱动光场具有更长的波长(λ)、更高的光强、更短的振荡周期以及更高的脉冲能量时，将极大地增强它的研究与应用能力，例如可以利用这种光脉冲与气体原子作用产生更亮、更短的阿秒脉冲光源，并将使得产生的光子能量(正比于光强和波长的平方的乘积I0λ2)拓展到硬X射线能量范围。此外，当驱动光场峰值强度达到相对论强度时(I0～(1/λ2[μm])×1018W/cm2)，其可能会打开中红外光学波段的相对论非线性光学，并将为科学研究带来前所未有的探索能力和机遇。在此之前，唐娜·斯特里克兰(DonnaStrickland)和杰哈·莫罗(Gerard Mourou)于1985年发明的啁啾脉冲放大技术使得近红外波段(激光波长在1微米左右)的激光强度得到了显著的增强(超过了1018瓦特每平方厘米)，首次使得激光强度达到了相对论强区域。由于该技术发明革新了激光物理与技术科学，开启了非线性光学领域，且为诸多科学研究带来的重要研究价值。上述两位科学家因此被授予2018年诺贝尔物理学奖。迄今为止，相对论非线性光学主要局限在近红外波段。

近年来，基于激光等离子体光学方法产生新型辐射光源的研究得到了广泛的关注和发展。相比于传统光学晶体材料，等离子体作为载体媒介可以承受极高功率、强度和能量的激光脉冲，从而适合控制和产生高强度光脉冲和高能辐射源。目前，基于激光等离子体光学方法，研究人员已经研究发明了可以产生各种波段光源的机制，如可以通过超高功率相对论强激光脉冲在等离子体中的自调制和自压缩效应产生超短超强中红外脉冲。但是，通过脉冲自调制和自压缩产生的中红外脉冲效率很低(一般不到百分之几)，光谱可调性较差且是个连续的超宽光谱。另外，需要入射的激光脉冲达到百太瓦级功率和单脉冲达到焦耳级能量，这将需要大型、昂贵的激光装置。目前只有一些中、大型实验室才具有这样的激光装置，其运行重复频率一般只有几个赫兹、且稳定性相对较差。这些极大地限制了该机制方案的实际用途、应用价值及范围。

因此，本领域迫切需要开发一种高效、小型紧凑、高重复频率的光学装置，其可以产生稳定的相对论强度、数毫焦、少周期的中红外光脉冲，且具有可调的光谱及其他脉冲参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光等离子体光学装置，用于产生超短超强(即相对论强度、数毫焦、近单周期)中红外光脉冲，且具有可调的光谱及其他脉冲参数。

本发明提供了一种激光等离子体光学装置，包括激光系统，所述激光系统用于输出驱动光脉冲和信号光脉冲；真空靶室，所述真空靶室用于提供激光与物质相互作用的真空环境；气体靶产生装置，所述气体靶产生装置设置于所述真空靶室内，其中所述气体靶产生装置用于产生气体，并通过激光预脉冲照射或通过高压电离气体形成沿驱动光脉冲传播方向的等离子体通道靶；和聚焦元件，所述聚焦元件设置在所述真空靶室内，所述聚焦元件将所述驱动光脉冲聚焦到所述产生的等离子体通道靶上，从而产生密度调制的等离子体尾波；并且在延迟预定时间T后，再通过所述聚焦元件将所述信号光脉冲聚焦到等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，从而使得所述信号光脉冲的频率发生红移，产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲。

在另一优选例中，所述等离子体通道靶在通道的径向方向上(即从光轴或通道中心轴向外的方向上)具有密度上升的径向密度梯度分布，并且在通道的轴向上具有基本均匀的轴向密度分布。

在另一优选例中，所述的驱动光脉冲、信号光脉冲的方向是相同的。

在另一优选例中，所述的驱动光脉冲、信号光脉冲和激光预脉冲的传播方向是相同的。

在另一优选例中，所述的前沿区域为所述等离子体尾波的第二个等离子体空泡的最前端或前1/2的区域内。

在另一优选例中，所述的激光预脉冲和驱动光脉冲是同一束激光脉冲，其中，所述的激光脉冲的前沿或前段作为预脉冲，而激光脉冲的后段(主脉冲)作为驱动光脉冲。

在另一优选例中，所述驱动光脉冲和信号光脉冲聚焦在所述等离子体靶上的束腰半径为5-30微米。

在另一优选例中，所述激光脉冲(驱动光脉冲和信号光脉冲)聚焦在所述气体靶上的束腰半径为8-15微米。

在另一优选例中，所述驱动光脉冲的脉宽为10～60飞秒。

在另一优选例中，所述驱动光脉冲的脉宽为20～40飞秒。

在另一优选例中，所述信号光脉冲的脉宽为5～30飞秒，

在另一优选例中，所述信号光脉冲的脉宽为10～20飞秒。

在另一优选例中，所述延迟预定时间T可在数十飞秒范围内调节。

在另一优选例中，所述驱动光脉冲的峰值功率为1～20太瓦。

在另一优选例中，所述驱动光脉冲的峰值功率为3～9太瓦。

在另一优选例中，所述信号光脉冲的峰值功率为0.1～15太瓦。

在另一优选例中，所述信号光脉冲的峰值功率为0.5～7太瓦。

在另一优选例中，所述气体靶产生装置是可控的高压气体喷嘴装置或毛细管通道装置。

在另一优选例中，所述的高压气体喷嘴装置可喷出密度、体积等可控的气体，通过与皮秒预脉冲作用可电离产生沿径向呈类抛物线形密度梯度(从光轴向外上升)、沿着轴向基本均匀的等离子体通道靶。

在另一优选例中，所述的毛细管通道装置是由气体产生装置向管内充气体，然后通过电极装置提供的高压电使得管内气体被电离，从而产生沿径向呈类抛物线形密度梯度(从光轴向外上升)、沿着轴向基本均匀的等离子体通道靶。

在另一优选例中，所述产生的等离子体通道靶沿激光传播方向的长度为800～3000微米，优选地，1200～2000微米。

在另一优选例中，用于形成所述气体靶的气体成分是由氢气、氦气、氮气或其组合的混合气体构成。

在另一优选例中，所述等离子体通道靶横向(垂直于激光传播方向)具有类抛物线形的密度梯度(即中心区域密度低而外侧密度高)，可有效地引导激光脉冲长距离的传输。

在另一优选例中，所述等离子体通道靶的电子数密度为1017～1020个每立方厘米，优选地，1018～1019个每立方厘米。

在另一优选例中，可以通过调整所述等离子体通道靶、信号光脉冲或驱动光脉冲的参数来调控产生的中红外光脉冲参数。

在另一优选例中，所述的激光等离子体光学装置还包括控制系统，所述控制系统用于控制激光系统、气体靶产生装置和聚焦元件。

在另一优选例中，所述控制系统包括延时控制，通过延时控制将信号光脉冲注入到等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域。

在另一优选例中，所述中红外脉冲具有选自下组的一个或多个特性：

(a)峰值强度超过1017瓦特/平方厘米；

(b)在光强的半高全宽处脉宽短至近单个光周期；

(c)总能量可高达几十毫焦；

(d)中心波长可达5微米，最大截止波长可达10微米；

(e)具有可控的载波相位。

本发明提供了一种用于产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲的方法，包括以下步骤：

(a)提供气体靶，所述气体靶在通过激光预脉冲照射或通过高压电离气体靶产生等离子体通道靶；

(b)提供驱动光脉冲，将驱动光脉冲聚焦到步骤(a)中的气体靶或由所述气体靶形成的等离子体通道靶上，从而产生密度调制的等离子体尾波；

(c)在延迟预定时间T后，提供信号光脉冲，将信号光脉冲聚焦到步骤(b)中的等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，从而使得所述信号光脉冲的频率发生红移，产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲。

附图说明

图1是本发明的产生超短超强中红外脉冲装置的结构示意图；

图2是本发明的激光等离子体尾波和调制的激光脉冲的示意图；

图3是本发明的等离子体尾波轴上的电子数密度分布图。

图4是本发明的初始信号光脉冲和调制后的中红外光脉冲的频谱分布图；

图5是本发明的中红外光脉冲在谱峰波长～4.5微米处的电场分布图。

各附图中，各标识如下：

图1中，

1-真空靶室

2-激光器/太瓦级激光装置

21-驱动光脉冲

22-信号光脉冲

3-聚焦元件/聚焦抛物镜

4-延时控制

5-等离子体通道靶

51-激光等离子体尾波

6-气体靶产生装置

61-高压气体喷嘴装置

611-气体

62-毛细管通道装置

621-毛细管

622-气体产生装置

623-高压电源

7-中红外脉冲

图2中，

81-调制的驱动光脉冲

82-调制的信号光脉冲

511-等离子体尾波的第一个空泡

512-等离子体尾波的第二个空泡

具体实施方式

本发明人通过广泛而深入的研究，首次开发了一种激光等离子体光学装置和产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲的方法，相比于传统光学技术方法，该基于激光等离子体光学方法具有诸多独特的优势，可以产生超短超强中红外脉冲。该装置具有高效、小型紧凑、高重复率等优点，能够提供经济实用、可靠的超短超强中红外光脉冲，且产生的相对论强、数毫焦、近单周期的中红外脉冲是目前传统光学装置无法达到的，突破了传统光学技术的瓶颈，这种超短超强中红外光脉冲对基础科学研究、医学和工业应用等具有潜在的广泛应用价值。并且该方法所需条件相对简单、易行、经济实用，具有实现高重复频率运行的可能。

本发明提供了一种激光等离子体光学装置(产生超短超强中红外脉冲装置)及其产生单脉冲能量达到数毫焦、近单周期、相对论强度的中红外光脉冲的方法。所述方法利用了太瓦级(1太瓦＝1012W)相对论强度的中心波长在0.8-1.0微米左右的超短驱动激光脉冲在稀薄等离子体中传输，通过其产生的等离子体电子密度扰动尾波，来实现对中心波长也处在0.8-1.0微米左右信号激光脉冲的调制，将其转换成波长在4微米以上的中红外光脉冲。

本发明的具体实施需要太瓦级激光系统和真空靶室，其中真空靶室内置可调控的高压气体喷嘴装置或毛细管通道装置，用于产生密度、长度等可调的等离子体通道靶。激光系统可采用目前商用的小型千赫兹飞秒短脉冲激光装置。将其输出的一个脉冲分成前后同向传输的两个激光脉冲，其中前面的脉冲作为驱动光脉冲，后面的脉冲为信号光脉冲。其中驱动光脉冲先与等离子体通道靶作用产生具有密度空泡结构的非线性等离子体尾波。通过调控信号光脉冲与驱动光脉冲之间的时间延时，将信号光脉冲注入到驱动光脉冲产生的等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，使信号光脉冲发生强烈的频率红移。通过充分地相互作用调制后，信号光脉冲将被有效的转化为能量达到数毫焦的少周期中红外脉冲。可通过改变驱动激光脉冲、信号激光脉冲或等离子体通道靶的参数来调制输出的中红外脉冲参数，包括其脉冲能量、中心频率、频谱宽度等。

相比于传统的技术方法，本发明的主要优点如下：

基于传统非线性晶体材料的光学技术，由于受限于材料的频率带宽、损伤阈值、能量增益等限制，难以产生高强度、数毫焦、少周期的中红外光脉冲。目前，基于晶体材料光学技术获得的近单周期中红外脉冲能量典型的限制在几十微焦，峰值强度约为太瓦每平方厘米量级内。基于激光等离子体光学方法，由于等离子体无材料损失阈值等限制，可以承受极高功率、强度和能量的激光脉冲，适合控制和产生高功率、大能量和高强度的光脉冲。另外，可通过简单的改变等离子体参数或入射激光脉冲，来便捷地调控产生的中红外脉冲参数。

相比于其他激光等离子体方法，本发明的主要优点如下：

此前，人们提出可以通过超高功率相对论强激光脉冲在等离子体中的自调制和自压缩方法产生超短超强中红外脉冲。但是，该方法产生的中红外脉冲效率很低(一般不到百分之几)，光谱可调性较差且是个连续的超宽光谱。另外，需要百太瓦级功率、焦级能量的大型、昂贵的激光装置。目前只有一些中、大型实验室才具有这样的激光器，其运行重复频率很低，一般只有几个赫兹且稳定性相对较差。这些极大地限制该机制方案的实际用途和应用价值。本发明所需要的激光系统可采用目前普通的商用太瓦级激光器，其不仅更加小型、经济实用，还具有更高的稳定性、千赫兹级的重复频率。这使得产生的中红外脉冲更加便捷、稳定和可靠，从而更具实用价值，应用范围更加广泛。此外，通过本发明转化的中红外脉冲效率可达到入射信号光脉冲能量的百分之三十左右，且具备可调的波长及其他脉冲参数。

因此，本发明能产生高重复频率、高效的相对论强、数毫焦、近单周期中红外脉冲。该发明优于且不同于其他学者之前提出的基于超高功率脉冲在等离子体中自调制所得到的中红外脉冲，同时也突破了目前基于非线性晶体材料光学技术的能力，这将会为广泛的科学团体带来经济实用、稳定可靠的超强少周期中红外光源。

在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

术语

如本文所使用的，“激光等离子体光学装置”和“产生超短超强中红外脉冲装置”可互换使用。

如本文所使用的，“中红外脉冲”与“中红外光脉冲”可互换使用。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

在本发明中，所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

激光等离子体光学装置/产生超短超强中红外脉冲装置

在本发明中，基于激光驱动的激光等离子体光学装置包括太瓦级飞秒激光系统、真空靶室、气体靶产生装置、聚焦元件和控制系统；

所述真空靶室可以提供激光与物质相互作用的真空环境；

所述气体靶产生装置设置于所述真空靶室内，其中所述气体靶产生装置用于产生气体，并经激光预脉冲照射或经高压电离气体产生沿驱动光脉冲传播方向的等离子体通道靶；

聚焦元件，所述聚焦元件设置在所述真空靶室内，所述聚焦元件将所述驱动光脉冲聚焦到所述等离子体通道靶上，从而产生密度调制的等离子体尾波；并且在延迟预定时间T后，再通过所述聚焦元件将所述信号光脉冲聚焦到等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，从而使得所述信号光脉冲的频率发生红移，产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲；

所述控制系统用于控制所述激光系统、气体靶产生装置和聚焦元件。优选地，所述控制系统包括延时控制，通过延时控制将信号光脉冲注入到等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域。

激光系统

在本发明中，激光系统包括激光器及相关的光路装置，所述激光器可采用目前商用的高重复频率(千赫兹级)、稳定而经济实用的太瓦级激光装置，用于产生合适参数的驱动光脉冲、信号光脉冲和可控的激光预脉冲。

激光预脉冲

在本发明中，所述激光预脉冲是激光脉冲的前沿部分，激光脉冲的主脉冲是驱动光脉冲或信号光脉冲。实验中，可采用等离子体镜等元件来消除或保留激光预脉冲。

驱动光脉冲和信号光脉冲

在本发明中，所述驱动光脉冲和信号光脉冲均为常用的高斯光束。所述信号光脉冲或驱动光脉冲参数的变化可用来调控产生的中红外光脉冲参数。

所述驱动光脉冲和信号光脉冲聚焦在靶上的束腰半径为5-30微米，较佳地8～15微米。所述驱动光脉冲的脉宽为10～60飞秒，较佳地20～40飞秒。所述信号光脉冲的脉宽为5～30飞秒，较佳地10～20飞秒。上述信号光脉冲和驱动光脉冲可以具有相同的脉宽，即通过将一个输出激光脉冲分成两个具有一定时间延迟的激光脉冲。

所述驱动光脉冲的峰值功率为1～20太瓦，较佳地3～9太瓦；所述信号光脉冲的峰值功率为0.1～15太瓦，较佳地0.5～7太瓦。

所述信号光脉冲可通过延时控制，使其处于驱动光产生尾波的第二个等离子体密度空泡的前端区域，从而发生强烈的频率红移效应，进而转化为中红外脉冲。

等离子体通道靶

在本发明中，气体靶经激光预脉冲照射或经高压电离形成沿驱动光脉冲传播方向的等离子体通道靶；气体靶可以通过高压气体喷嘴装置或毛细管通道等方法产生，但不限于上述的两种方法。形成的等离子体通道靶具有密度、长度等可调性，且适合于高重复频率使用。所述等离子体通道靶参数的变化可用来调控产生的中红外光脉冲参数。

所述气体可由低原子序数的单一气体或多种气体混合构成，较佳地为氢气、氦气、氮气或它们的混合物。

所述通过毛细管电离(或激光预脉冲烧蚀)后形成的等离子体包含的电子数密度为1017～1020个每立方厘米，较佳地为1018～1019个每立方厘米。

所述等离子体通道靶沿激光传播方向的长度为800～3000微米，较佳地1200～2000微米。

所述等离子体通道靶横向(垂直于激光传播方向)具有类抛物线形的密度梯度，可有效的引导激光长距离的传输。

高压气体喷嘴装置

在本发明中，高压气体喷嘴装置，可以通过调控气体喷嘴出口形状及喷流流速等来产生所需要的气体靶。另外，可通过激光的皮秒预脉冲来烧蚀气体靶，从而形成中心密度低、外侧密度高的类抛物线形分布的等离子体通道靶。

毛细管通道装置

在本发明中，所述毛细管通道装置是由毛细管、气体产生装置和高压电源组成。首先通过气体产生装置向毛细管内充入适当的气体，然后通过电源提供的高压放电使得管内气体被电离，从而产生沿管轴方向密度分布均匀、径向中心密度低而外侧密度高的类抛物线形分布的等离子体通道靶。另外，可以通过改变毛细管的形状、充入气体量和电源电压来调节控制产生的等离子体通道参数，从而产生所需要的靶。

产生少周期超强中红外光脉冲的方法

在本发明中，产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲的方法包括以下步骤：

(a)提供气体靶，在通过激光预脉冲照射或通过高压电离气体靶产生所述的等离子体通道靶；

(b)提供驱动光脉冲，将驱动光脉冲聚焦到步骤(a)中的气体靶或由所述气体靶形成的等离子体通道靶，从而产生密度调制的等离子体尾波；；

(c)在延迟预定时间T后，提供信号光脉冲，将信号光脉冲聚焦到步骤(b)中的等离子体尾波的第二个等离子体密度空泡的前沿区域，从而使得所述信号光脉冲的频率发生红移，产生相对论强度、单脉冲能量达到数毫焦、近单周期中红外脉冲。

少周期超强中红外光脉冲的特性

在本发明中，所产生的可调的超短超强中红外脉冲具有如下特性：

(a)超高的光强，峰值强度超过1017瓦特/平方厘米；

(b)超短的脉冲周期数，在光强的半高全宽处脉宽短至近单个光周期；

(c)超高的脉冲能量，总能量可高达几十毫焦；

(d)长的载波波长，中心波长可达5微米，最大截止波长可达10微米；

(e)具有可控的载波相位。

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明。需要指出的是，本发明并不局限于附图所示的实施例，技术人员可以从以下方案说明中所体现的实质精神来理解本发明。

图1是本发明的激光等离子体光学装置，即产生超短超强中红外脉冲装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括激光器2和真空靶室1以及等离子体通道靶(5)。

真空靶室用于提供激光与物质相互作用的真空环境。另外，真空靶室内置可控的高压气体喷嘴装置61或毛细管通道装置62，用于产生可调的等离子体通道靶5。产生的等离子体通道靶具有密度、长度等可调性，且具备高重复使用率。

其中，高压气体喷嘴装置61，可以通过调节气体喷嘴出口形状及喷流流速等来控制出射的气体611。再通过激光皮秒预脉冲(图中未显示)来烧蚀气体，从而形成中心密度低、外侧密度高的类抛物线形分布的等离子体通道——即所需的等离子体通道靶5。

毛细管通道装置62是由毛细管621、气体产生装置622和高压电源623组成。首先通过气体产生装置向毛细管内充入适当的气体，然后通过电源提供的高压放电使得管内气体被电离，从而产生沿管轴方向密度分布均匀、径向中心密度低而外侧密度高的等离子体通道靶5。另外，可以通过改变毛细管的形状、充入气体量和电源电压来调节控制产生的等离子体通道参数，从而产生所需要的等离子体通道靶5。

产生的等离子体通道靶5沿激光传播方向的长度较佳地为1200～2000微米，由于其在横向上具有类抛物线形的密度梯度，可有效的引导激光长距离的传输。形成的等离子体通道密度较佳地为ne＝n0+Δn0，n0是轴上电子数密度，Δn0＝λ2r2nc/π2w4是通道特征密度梯度，nc＝meω2/4πe2是等离子体电子临界密度，λ是入射激光波长，ω是入射激光频率，w是入射激光焦斑半径，me是电子静止质量，e是电子单位电荷量，r是距离等离子体通道轴的距离半径。气体靶的组成成分可由低原子序数的单一或多种混合气体构成，较佳地可由氢气、氦气、氮气或它们的混合物构成。在通过毛细管高压放电电离(或激光皮秒预脉冲烧蚀)气体靶产生所需的等离子体通道靶，其包含的电子数密度较佳地为1018～1019个每立方厘米。

激光器2用于输出驱动光脉冲21和信号光脉冲22，其中驱动光脉冲先与等离子体通道靶5作用产生空间结构呈现密度空泡的等离子体尾波51。随后将一定时间延时的信号光脉冲22注入到驱动光脉冲后面第二个密度空泡的密度上升区(如图2所示)，通过这种密度分布对信号激光脉冲的调制，激发了强烈的光频红移效应，最终产生少周期的超强中红外脉冲，也就是调制的信号光脉冲(图1中7或图2中82)。该激光器可采用目前商用的千赫兹级重复频率、稳定而经济实用的太瓦级激光装置2。

驱动光脉冲21和信号光脉冲22均为常用的高斯光束。通过聚焦抛物镜(聚焦元件3使其聚焦在靶上，聚焦光束的束腰半径较佳地为8～15微米。其中，驱动光脉冲21的脉宽较佳地为20～40飞秒；峰值功率较佳地为3～9太瓦。通过一定时间的延时控制(4)，将信号光脉冲(22)沿相同方向聚焦到靶上，信号激光的脉宽较佳地为10～20飞秒，峰值功率较佳地为0.5～7太瓦。该延时时间大约为50～80飞秒(与产生的第一个等离子体空泡(图2中511)的纵向长度相当)，所以注入的信号光脉冲将处于尾波中第二个等离子体空泡(图2中512)前端的密度上升区域，从而发生强烈的频率红移效应。通过充分地相互作用调制后，信号光将被有效的转化为长波长的中红外脉冲(82)。

为了便于理解，图2给出了激光等离子体尾波、调制的信号光脉冲(82，即中红外脉冲7)和驱动光脉冲(81)的示意图，图3给出了等离子体尾波的轴上密度分布。这里需要说明的是，驱动光脉冲主要用于与等离子体作用产生密度扰动的尾波，其包含了多个等离子体空泡。由于驱动激光脉冲自身处于密度扰动非常缓和的区域(即第一个等离子体空泡(511)前端)，尽管其脉冲后沿部分也处于密度上升区，但是较难发生频率红移现象，这即为脉冲自调制机制。故先前基于脉冲自调制的方案都需要百太瓦、焦级强激光脉冲来激发产生更强的密度扰动尾波，才能产生超强中红外脉冲。另外，这种自调制方法只有少部分的激光脉冲能量被转化为中红外脉冲，大部分的能量将被等离子体吸收、形成尾波场或加速产生高能电子，且脉冲的前沿部分处于密度梯度下降区无法转化为中红外脉冲。因此，脉冲自调制方法的转化效率通常不到百分之几。本发明中，由于信号光处于非常高密度上升区(即第二个等离子体空泡(512)前端)，故将发生强烈的频率红移现象。由于该密度扰动尾波由驱动激光产生，故不需要消耗太多信号光能量。消耗的信号激光能量主要是增强了其所在的第二个等离子体空泡的尾波及部分被等离子体吸收，增强的等离子体尾波反过来将会加强频率红移效应。因此，信号激光可以实现快速高效的频率红移转化，进而产生超短超强的中红外脉冲82。

此外，本发明可以通过改变等离子体通道靶5、信号光脉冲22或驱动光脉冲21参数来调控产生的中红外脉冲参数，如脉冲能量、峰值强度、波长、载波相位、振荡周期数等，从而实现一种可调的相对论强、数毫焦、近单周期中红外光脉冲。

下面结合具体实施例1，对本发明作进一步的阐述。应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

本实施例采用图1所述的实施方案，包括激光器、真空靶室、聚焦元件和等离子体通道靶。

所述激光器将提供驱动光脉冲和信号光脉冲，其中，两者均为高斯光束具有相同的波长为1微米和相同的聚焦焦斑半径为8微米；具有不同的峰值强度(驱动激光为5.5×1018瓦特每平方厘米，信号激光为1.4×1018瓦特每平方厘米)、不同的脉冲宽度(驱动激光为33.3飞秒，信号激光为13.3飞秒)和不同的峰值功率(驱动激光为5.5太瓦，信号激光为1.4太瓦)。

真空靶室用于提供激光和物质相互作用的真空环境。

通过毛细管高压放电电离(或激光皮秒预脉冲烧蚀)气体靶产生的等离子体通道沿激光传播方向的长度较佳地为1600微米左右，沿径向呈类抛物线形密度分布(中间低、外测高)。采用的气体为氢气，电离后的等离子体沿通道轴上的电子数密度约为4×1018个每立方厘米；径向上可根据通道特征密度梯度Δn0＝λ2r2nc/π2w4逐渐增加，如焦斑(w＝8微米)处的密度约为6×1018个每立方厘米。

驱动光脉冲先与等离子体通道靶作用，激发产生密度扰动的等离子体尾波，如图2所示。随后，将延时约为70飞秒的信号光脉冲沿相同方向聚焦到等离子体靶上，从而使其注入到尾波中的第二个等离子体空泡前端。由于信号激光脉冲处于高密度扰动的陡峭密度上升区域，其将发生强烈的频率红移效应。经过充分地调制作用后，信号光将被有效的转化为超短超强的中红外脉冲。

图4给出了信号光脉冲的初始光谱和调制后的光谱分布图，图5给出了中红外脉冲在谱峰波长～4.5微米处的电场分布图。数值模拟结果表明信号光脉冲可被有效的转化为长波长的中红外脉冲，产生的中红外脉冲宽度的半高全宽可短至近单个光周期。另外，可通过改变初始等离子体靶参数来对产生的中红外脉冲参数作进一步的调节。

本发明的激光等离子体光学装置及产生相对论强数毫焦近单周期中红外脉冲的方法具有以下优点：

(a)装置简单紧凑、成本低：本发明所需的激光装置可采用目前商用的太瓦级小型激光器，具有千赫兹级的重复运行频率，紧凑的尺寸和较低的购买和运行成本。真空靶室可以直接从厂商订购，该设备技术已经非常成熟。产生气体靶的喷嘴或毛细管装置技术目前也很成熟，已被广泛的使用在激光等离子体加速等实验中；

(b)产生高效、超强、超短的中红外脉冲：基于非线性晶体材料技术产生的少周期中红外脉冲一般限制在低光强(非相对论强度)和低能量(微焦量级)的范围内。使用本发明的方法，可以实现高效的相对论强、数毫焦、近单周期中红外脉冲，因此突破了传统光学技术方法的限制；

(c)操作简单，重复频率高：本发明方法只需将驱动光脉冲和信号光脉冲按照设定好的时间延时聚焦到产生的气体靶上即可。通过激光与等离子体相互作用自发激发的频率红移调制产生超短超强中红外脉冲，无需其他的光学调制设备，所以是个操作简单的全光学产生方法。使用的激光器具有千赫兹级的运行重复频率；气体靶通过不断的补充气体，具备极高的重复使用率。因此，本发明方法具备高运行重复率，高稳定性，低成本，小型紧凑，实用性强等优势和特点。

在本申请提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本申请的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本申请的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本申请作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所要求保护的范围。

激光等离子体光学装置及产生超短超强中红外脉冲的方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

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4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

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Q：专利转让变更，多久能出结果

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